网链式残膜回收机膜土输分机构优化与对比试验

顾 满,胡志超,游兆延,徐弘博,姬广硕,吴 努

(1.南通大学 机械工程学院,江苏 南通 226019;2.农业部南京农业机械化研究所,南京 210014)

0 引言

农作物覆膜技术在引入我国后得到了广泛推广与大面积使用。北方地区气候干燥多严寒,是覆膜技术的推广使用区,也是受残膜污染影响最大的区域,残膜造成严重的白色污染污染周边环境,滞留田间污染土地影响作物生长[1-3]。采用人工回收残膜成本高、效率低,而可降解膜、一膜多用、替代覆膜等技术受制于成本、技术及适应范围等因素还无法得到大规模推广,目前残膜回收的主要途径仍以机械化回收为主[4-6]。

目前,国内使用塑料薄膜厚度在0.008mm以下,主要收回期为作物收获以后,地膜破损严重,且大部分地膜在地表以下,为残膜回收带来一定的困难。国内残膜回收机械的类型主要有杆齿式、齿链式、气吸式及针刺式等,沙土地为我国主要土地类型,而网链式残膜回收机在沙土地地区具有良好的作业效果,且对深层薄膜有良好的回收效果,应用前景广泛[7]。

为此,以本单位所研制的1MSWL-165型网链式残膜回收机为研究对象,对直线型二级网链结构进行优化设计,优化结果为三拐点式二级网链结构进行膜土膜土输送与分离。同时,分析两种机构作业方式及原理,并进行两种机型的田间对比试验,为网链式残膜回收机进一步改进和优化提供依据。

1 网链式残膜回收机

1MSWL-165网链式残膜回收机主要由起膜铲、碎土辊、二级网链输膜机构及集膜箱组成,如图1所示。其中,以二级网链输膜机构为主体完成膜土输送与分离,网链由链杆和钢丝网组合而成。前期研究表明：其残膜输送效果极大增加,在网链输送过程中通过三重作用增强了膜土分离效果：碎土辊与网链结构配合作用实现大土块碾压破碎使土壤漏过增加了去土效果;抖土装置与网链结构作用增强了网链表面振动,增加膜土分离效果;大倾角二级网链结构实现土块沿第2级网链表面滚落,进一步增强了去土效果。

残膜输送与分离是网链式残膜回收机作业过程中的关键环节[8],影响其作业效果的主要原因是：膜土混合物在第1级网链输送时抖动不彻底造成膜土混合物无法有效分离,土块沿第一级网链抛出后没有沿第2级网链表面及时滚落而被收集进集膜箱中,长残膜碎片在网链末端存在回带影响收膜效果。为此,对1MSWL-165型网链式残膜回收机进行改进,得到1MSWL-165A型残膜回收机图,如图2所示。

1.变速箱 2.悬挂架 3.机架 4.传动机构 5.第1级网链 6.第2级网链 7.集膜箱 8.液压推杆 9.地轮 10.挡板 11.碎土辊 12.起膜铲图2 1MSLM-165A型网链式残膜回收机结构图Fig.2 Structural diagram of 1MSWL-165 typed network chain type residual plastic film collector

2 膜土输分机构优化

在前期设计中,输膜机构采用直线型二级网链结构,主要由二级网链及双作用激振装置组成。工作时,网链起膜铲起膜后,残膜和土块沿网链表面传动,通过双作用激振装置使网链表面振动达到膜土分离,双作用激振装置由驱动轮带动驱动轴完成振动。前期研究中,通过ADAMS仿真等方法确定激振装置振幅25mm。双作用激振装置存在易磨损及振动周期长等缺点,同时直线型网链结构存在残膜回带、第1级网链抛出土块难以滚落等问题。为解决以上问题,优化膜土输分机构为三拐点式二级网链结构,以提高膜土输送与分离效果。

三拐点式二级网链结构如图3所示。直线式二级网链结构保留了大倾角二级网链结构及碎土辊等装置,两级网链均配置成三拐点形式,第1级网链固定,第2级网链设置横向调节装置和纵向调节装置调节网链倾角。

1.起膜铲 2.变速箱 3.传送系统 4.横向调节装置 5.第2级拐点机构支撑轴 6.纵向调节装置 7.第1级拐点机构支撑轴 8.抖土辊图3 三拐点式二级网链结构图Fig.3 Structural diagram of two-stage network chain with three inflexions

网链式残膜回收机在输膜过程中采用网链与链杆结构组合的配置形式,残膜支撑度与输送效果良好,对土壤有良好的透过效果。其主要通过3方面增强残膜输送及膜土分离效果：①减少残膜在输膜过程中残膜与圆弧段依附长度;②减小随第一级网链抛出的土块在第二级网链表面的减速距离,避免土块与残膜作用而嵌入网孔;③增加抖土装置的抖土频率。

2.1 降低残膜依附长度

1MSWL-165型网链式残膜回收机采用大升角二级网链结构,膜土混合物经第1级网链抖土分离后,残膜、碎土壤和土块被抛出到第2级升运网链,在二级升运网链表面残膜与碎土壤为静摩擦;残膜随二级网链向上运输,碎土壤在网链表面运输过程中进一步漏下,土块为滚动摩擦,沿二级网链表面滚落[0-11]。在前期研究中,较长的残膜碎片在前部分脱离网链末端时后部分仍在网链上,导致前部分残膜重新吸附在网链表面圆弧段,亦或是在残膜经过圆弧段时嵌入网链内侧形成回带。采用两种形式网链结构残膜回带示意图,如图4所示。

图4 残膜回带示意图Fig.4 Diagram of returned film

采用三拐点式二级网链结构,圆弧段依附距离为

(1)

直线式网链结构,圆弧段依附距离为

(2)

其中,r1、r2分别为三拐点式网链结构与直线式网链结构网链末端传动轮半径;α1为第1级网链升运角(rad);β1为第1级网链下倾方向与水平面夹角(rad)。在网链传动轴之间存在抖土装置,有r2>r1,由式(1)、式(2)分析可知：S1

2.2 减小抛出土块的减速距离

第2级网链对大土块分离起关键作用,在二级升运网链表面土块为滚动摩擦,沿二级网链表面滚落[12-14]。设残膜及土块以第1级网链线速度抛出后落在二级网链上,土块受重力影响,在网链表面先减速随后滚落,采用二级网链结构。对土块进行运动分析,如图5所示。

设土块抛出第1级网链后无速度变化,在第2级网链表面,将土块运动速度v1沿二级网链升运方向分解,设其落在二级网链上初始速度v0,则有

v0=v1cos(β1+α2)

(3)

其中,β1为一级升运链降运角(°),β1=8°;α2为二级升运链升运角(°),α2=35°。

残膜为滑动摩擦,土块为滚动摩擦,残膜随网链向上运动,土块沿网链表面反向加速后沿网链表面滚落,则有

(4)

其中,s为土块沿二级网链表面减速距离(m);a为土块沿二级网链表面加速度(m2/s);g为重力加速度,g=9.8m/s2;f为土块与网链动摩擦因数,取f=0.1。

采用直线型二级网链结构,土块减速距离为

(5)

采用两种结构形式,土块减速距离差为

(6)

带入数据,由式(3)～式(6)可计算出两种形式土块在二级网链上减速距离距离差为193mm。三拐三拐点式网链结构较直线结构减速距离降低47%,通过有效减少土块在二级网链表面的减速距离,使土块及时滚落以增加去土效果。

图5 土块速度分析Fig.5 Velocity analysis of clod

2.3 增加抖土频率

为增大膜土分离效果,设计三头型抖土辊,主要由传动轮、传动轴、抖土辊及固定支座组成,如图6所示。在转动过程中,传动轴每转动1圈抖土辊与网链作用3次,网链由直线状态变为折线状态以达到抖动增加膜土分离效果[15-17]。

设抖土辊与网链在接触时无相对滑动,即抖土辊与网链接触点线速度为网链线速度v1,则有

(7)

其中,v1为第1级网链线速度(m/s),v1=2;r为抖土辊抖动半径(m);n为抖土辊转速(r/min)。

三头型抖土辊的抖土频率为

(8)

为达到理想膜土分离效果,设计抖土辊抖土半径为r=0.10m,由式(7)和式(8)计算得三头型抖土辊抖动频率为9.55Hz。

1.传动轮 2.传动轴 3.抖土辊 4.固定支座图6 三头型抖土辊结构简图Fig.6 Structural diagram of three - head soil - shaking roller

3 田间对比试验

通过对网链式残膜回收机膜土输分机构机理分析及优化,在相同条件下对1MSWL-165型及改进型1MSWL-165A型残膜回收机进行试验,以检验膜土输送与分离效果,如图7所示。以拾膜率、残膜回带率、膜土比为作业指标,验证优化结果,旨在为网链式残膜回收机膜土输分机构优化设计提供参考。

图7 田间试验Fig.7 Field test

3.1 试验条件

试验地点为辽宁省锦州市义县,选取试验田为沙土土壤垄作花生,所覆薄膜为0.008mm厚度黑膜。选定试验区长度为20m,为减少不必要因素影响,在测区前后各5m长度范围内人工清理出残膜。试验仪器设备主要有东方红LY1104拖拉机、1MSWL-165型及改进型1MSWL-165A型网链式残膜回收机、电子天平、皮尺及塑料袋等。

3.2 试验指标与方法

根据前文对网链式残膜回收机的作业机理分析及优化设计,试验分别测定相同工作参数下两种残膜回收机拾膜率、回带率及膜土比,拖拉机前进速度为1m/s,挖掘铲挖掘深度为20cm。试验指标分析方法如下：

1)拾膜率Y1。拾膜率为检验机具收膜效果指标,每次试验结束后收集集膜箱内残膜及测区未捡拾残膜,洗净、晾晒、称重,计算拾膜率。

(9)

其中,Y1为拾膜率(%),m0为集膜箱中残膜质量(g),m2为测区未捡拾残膜质量(g)。

2)回带率Y2。回带率为检验机具防止残膜回带效果指标,在机具网链输膜机构下加装一集膜栅条框,土壤漏过,收集回带残膜,进行洗净、晾晒、称重。

(10)

其中,Y2为残膜回带率(%),m0为集膜箱中残膜质量(g),m1为栅条框内收集的回带膜质量(g)。

3)膜土比Y3。膜土混合物分离为残膜回收过程中关键环节,机具作业后集膜箱中膜土比为检验机具收膜效果指标,在计算中将秸秆等杂物按土壤处理计算膜土比,即

(11)

其中,Y3为膜土比,M为集膜箱中土壤与残膜总质量(g)。

3.3 试验结果

采用两种形式残膜回收机进行试验,试验结果如表1所示。由表1可知：经改进后的1MSWL-165A型残膜回收机收膜效果较1MSWL-165型残膜回收机防止残膜回带效果良好,拾膜率、膜土比都有较大提高。且改进后的机具工作性能稳定、波动小。

3.4 试验结果分析

由表1及图8～图12分析可知：网链式残膜回收机采用起膜铲与二级网链结构组合,起膜深度大,一般为20cm以上,对深层残膜捡拾效果良好,两种机具拾膜率平均值都达90%以上。

表1 两种残膜回收机试验结果结果Table 1 Test results of two kinds of residual plastic film collector

图8 两种残膜回收机拾膜率及膜土比平均值对比Fig.8 Comparison of average residual plastic film recovery rate and film soil ratio between two kinds of residual film collector

图9 两种残膜回收机回带率平均值对比Fig.9 Comparison of average rate of returned film between two kinds of residual plastic film collector

图10 两种残膜回收机拾膜率对比Fig.10 Comparison of residual plastic film recovery rate between two kinds of residual plastic film collector

图11 两种残膜回收机回带率对比Fig.11 Comparison of rate of returned film between two kinds of residual plastic film collector

图12 两种残膜回收机膜土比对比Fig.12 Comparison of film soil ratio between two kinds of residual plastic film collector

网链式残膜回收机输膜过程中采用的网链结构容易形成回带,影响作业效果,减少残膜回带可显著提高机具拾膜效果及收膜质量。改进机型采用三拐点式二级网链结构,较直线型式网链结构,其残膜回带率平均值减少60%以上,防回带效果良好。

网链式残膜回收机在输膜过程中,机具完成膜土分离与输送,网链结构在基本不影响土壤透过条件下,极大增大残膜输送效果;采用三拐点式结构,抛出土块的减速距离较直线结构大幅减小;三头型抖土辊性能稳定,抖土频率高,工作性能良好,有利于提高收膜质量,增大膜土比。

4 结论

1)针对直线式网链结构易回带的问题,对回带机理进行分析,设计了三拐点式二级网链结构以减少残膜回带的问题,并对第1级网链抛出土块减速距离进行计算,进行优化设计以增加去土效果。

2)对1MSWL-165型残膜回收机进行结构优化,采用三拐点式二级网链结构,对比试验结果显示：拾膜率、膜土比都有显著提高,且残膜回带减少,提高了机具作业质量。

3)网链式残膜回收机作业幅宽大、作业质量好,具有广泛应用前景,但对机具工作效率与网链转动线速度大小关系缺少研究,且在实际工作中机具对不同地区土地垄宽适应性不够理想,后续工作应综合考虑提高机具适应性和提高工作效率。